KR100361207B1 - 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 절연막에 다마신패턴이 형성된 반도체 기판이 제공되고, 다마신패턴을 포함한 절연막 표면에 확산장벽층을 형성하며, 확산장벽층 상에 반응억제막을 형성하고, 저온 및 고온 물리기상증착법으로 다마신패턴을 완전하게 메우는 구리층을 형성하고, 구리층을 에치백하여 다마신패턴 내에 구리배선을 형성함으로써, 고온증착 과정에서 반응억제막에 의해 구리층과 확산장벽층의 반응이 억제되어 다마신패턴에 구리층을 양호하게 매립할 수 있어 금속배선의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 고온에서 물리적기상증착(PVD)법으로 구리를 증착할 때 발생되는 구리 석출물 생성을 방지하여 양호한 구리 매립 효과를 얻을 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라서 근래에는 구리배선을 이용한 배선 형성 기술이 크게 부각되고 있기는 하지만, 구리 박막은 현재까지 반도체 소자의 금속 배선으로 사용하고 있는 알루미늄 배선 방법과는 달리 구리 박막 재료의 물성적 특징을 고려한 일련의 공정 기법이 적용되어야 한다. 즉, 구리박막은 건식식각의 어려움으로 인하여 다마신 기법을 적용하고 있으며, 또한 구리 박막은 그 구리원자가 절연막인 실리콘 또는 실리콘 산화막 내로 쉽게 침투하여 들어가 소자의 전기적 특성 및 절연 특성을 악화시키는 문제점을 가지고 있어 구리 증착전에 확산장벽층을 형성하고 있다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하여 종래의 반도체 소자의 금속 배선 형성방법을 설명하도록 한다.
도 1a를 참조하면, 도전층(2)이 형성된 반도체기판(1)의 전면 상부에 절연막(3)을 증착하고 다마신(Damascene)패턴(4)을 형성한다. 다마신패턴이 형성된 전면 상부에 확산장벽층(5)을 형성한다. 이때 상기 확산장벽층(5)은 후공정에서 형성할 구리배선으로부터 절연막(3)으로 구리 원자가 침투하지 못하도록 하는 것으로 Ti/TiN을 증착하여 형성된다.
도 1b를 참조하면, 확산장벽층(5)이 형성된 반도체기판(1)을 가열하지 않은 상태에서 저온 물리적기상증착법(PVD)으로 다마신패턴(4)을 포함한 전체 구조상에 제 1 구리층(6a)을 증착한다.
도 1c를 참조하면, 다마신패턴(4) 내부로 구리를 고온에서 리플로우(reflow)시켜 양호한 매립이 이루어지도록 고온 물리적기상증착법으로 제 2 구리층(6b)을 충분히 증착한다.
상기에서, 구리의 고온 증착 공정이 진행되는 동안 구리(Cu)와 확산장벽층(5)이 반응하여 석출물의 크기가 큰 금속간 화합물(5a) 예를 들어, 확산장벽층(5)이 Ti계열로 형성된 경우 Cu3Ti 금속간 화합물(5a)이 형성되는데, 석출물의 크기가 큰 금속간 화합물(5a)이 다마신패턴(4)의 입구를 막아 버리는 결과를 초래하게 되어 다마신패턴(4) 내부에 구리의 매립이 열악하여 보이드(void;7)가 형성된다.
도 1d를 참조하면, 제 2 구리층(6b)을 에치백함에 따라서 구리배선(6)이 형성된다.
상술하였듯이, 종래의 반도체 소자의 금속 배선에 의하면, 구리 배선 형성시 저온에서 1차적으로 구리를 증착한 후 다마신패턴을 효과적으로 매립하기 위하여 고온에서 2차적으로 구리를 증착할 때, 저온에서 다마신패턴의 측벽에 1차적으로 증착된 구리와 확산장벽층인 Ti/TiN이 반응하여 석출물의 크기가 큰 금속간화합물이 형성된다.
즉, 다마신패턴의 측벽에는 구리박막이 증착되지 않는 반면 다마신 패턴의입구와 하부에만 구리박막이 증착됨으로써 다마신패턴의 내부에 보이드가 형성되어, 구리배선을 위한 다마신패턴에 구리배선을 완전하게 매립할 수 없는 문제점이 있었다. 이로 인하여 구리 배선의 전기적 저항이 증가될 뿐만 아니라 심할 경우 단선을 초래하게 되어 소자의 수율 및 신뢰성을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명은 다마신패턴에 구리배선을 양호하게 매립할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 절연막에 다마신패턴이 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계, 상기 다마신패턴을 포함한 절연막 표면에 확산장벽층을 형성하는 단계, 상기 확산장벽층 상에 반응억제막을 형성하는 단계, 상기 다마신패턴을 완전하게 메우는 구리층을 형성하는 단계, 상기 구리층을 에치백하여 상기 다마신패턴 내에 구리배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 1d는 종래의 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 10:반도체기판 2, 20:도전층
3, 30:절연막 4, 40:다마신패턴
5, 50:확산방지층 60:반응억제막
5a, 60a:금속간 화합물 6a, 6b, 6c, 70a, 70b:구리층
7:보이드 6, 70:금속배선
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 도전층(20)이 형성된 반도체기판(10)의 전면 상부에 절연막(30)을 증착하고 다마신(Damascene)패턴(40)을 형성한다. 다마신패턴(40)이 형성된 전면 상부에 확산장벽층(50)을 형성하고 그 상부에 반응억제막(60)을 형성한다.
상기에서 확산장벽층(50)은 후공정에서 형성할 구리배선으로부터 절연막(30)으로 구리 원자가 침투하지 못하도록 하는 것으로 Ti/TiN을 증착하여 형성된다. 반응억제막(60)은 구리배선과 확산장벽층(50)의 Ti에 의하여 형성되는 석출물의 크기가 큰 금속간 화합물인 Cu3Ti의 생성을 방지할 수 있도록 구리와 비교적 반응하지 않는 물질 예를 들어, Nb, Zn, Mg 혹은 Zr을 물리적기상증착법에 의하여 500Å 미만의 두께로 증착하여 형성된다.
도 2b를 참조하면, 확산장벽층(50)과 반응억제막(60)이 형성된 반도체기판(10)의 전면 상부에 1차 구리층(70a)을 형성한다. 이때 1차 구리층(70a)은 진공 혹은 불활성가스 분위기에서 반도체기판(10)을 가열하지 않고 상온에서 물리적기상증착법(PVD)에 의하여 약 1000Å 이하의 두께로 구리박막을 증착하여 형성된다.
도 2c를 참조하면, 다마신패턴(40) 내부로 구리를 고온에서 리플로우(reflow) 시켜 양호한 매립이 이루어지도록 고온 물리기상증착법(PVD)으로 2차 구리층(70b)을 형성한다. 2차 구리층(70b)은 500 내지 900℃의 온도에서 약 3000Å 이상의 두께로 구리박막을 증착하여 다마신패턴(40)을 완전히 매립함으로써 형성된다. 2차 구리층(70b) 형성을 위한 고온 증착 공정이 진행되는 동안 금속간 화합물(60a)이 생성되는데, 금속간 화합물(60a)은 반응억제막(60)에 의해 심하게 생성되지는 않는다.
도 2d를 참조하면, 2차 구리층(70b)을 에치백하여 구리배선(70)을 형성한다. 이때 화학적 기계적 연마(CMP)에 의한 에치백 방법으로 절연막(30) 표면이 노출되도록 2차 구리층(70b), 금속간 화합물(60a) 및 확산방지층(50)을 제거한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 의하면, 구리박막으로 다마신패턴을 양호하게 매립하여 금속배선을 형성함으로써 신뢰성과 수율을 향상시킬 수 있다.
Claims (3)
- 절연막에 다마신패턴이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계;상기 다마신패턴을 포함한 절연막 표면에 확산장벽층을 형성하는 단계;상기 확산장벽층 상에 반응억제막을 증착하는 단계;상기 반응억제막 상에 시드층으로 제 1 구리층을 증착하는 단계;상기 다마신패턴을 완전하게 메우도록 상기 제 2 구리층을 증착하되, 상기 반응억제막과 상기 제 1 구리층 간의 반응을 통해 상기 반응억제막을 금속간 화합물로 변환시키기 위해 제 1 구리층의 증착온도보다 높은 온도로 증착하는 단계; 및상기 제 2 구리층을 평탄화하여 상기 다마신패턴 내에 구리배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반응억제막은 Nb, Zn, Mg 및 Zr 중 어느 하나를 물리적기상증착법에 의하여 500Å 미만의 두께로 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 구리층은 상온에서 물리적기상증착법을 통해 1000Å이하의 두께로 증착하고, 상기 제 2 구리층은 500 내지 900℃의 온도에서 물리적기상증착법을 통해 3000Å 이상의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
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